JP6063303B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を前記セパレータの面方向に沿って流通させる流体流路と、前記流体を前記セパレータの積層方向に流通させる流体連通孔と、前記流体流路及び前記流体連通孔を接続する連結流路とを備える燃料電池に関する。 In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and at least a fluid that is a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium is provided along the surface direction of the separator. The present invention relates to a fuel cell comprising: a fluid channel that circulates in a fluidized manner; a fluid communication hole that circulates the fluid in the stacking direction of the separator; and a connection channel that connects the fluid channel and the fluid communication hole.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを構成している。燃料電池は、通常、複数の発電セルが積層されるとともに、例えば、燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode is provided on one side of a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, and a cathode electrode is provided on the other side. A power generation cell in which the body (MEA) is sandwiched between a pair of separators is formed. A fuel cell is usually used as an in-vehicle fuel cell system by stacking a plurality of power generation cells and incorporating the fuel cell into a fuel cell vehicle, for example.
上記の燃料電池には、セパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガス（流体）を流すための燃料ガス流路（流体流路）と、カソード電極に対向して酸化剤ガス（流体）を流すための酸化剤ガス流路（流体流路）とが設けられている。 In the fuel cell, a fuel gas channel (fluid channel) for flowing a fuel gas (fluid) facing the anode electrode and an oxidant gas (fluid) facing the cathode electrode in the plane of the separator ) And an oxidant gas flow path (fluid flow path).
さらに、セパレータの周縁部には、該セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する流体連通孔である燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。また、セパレータ間には、電解質膜・電極構造体を冷却するための冷却媒体流路（流体流路）が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する流体連通孔である冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成されている。 Further, a fuel gas inlet communication hole and a fuel gas outlet communication hole that are fluid communication holes that penetrate the separator in the stacking direction and communicate with the fuel gas flow path, and an oxidant gas flow path An oxidant gas inlet communication hole and an oxidant gas outlet communication hole, which are fluid communication holes communicating with each other, are formed. A cooling medium flow path (fluid flow path) for cooling the electrolyte membrane / electrode structure is provided between the separators, and a fluid communication hole that penetrates in the stacking direction and communicates with the cooling medium flow path. A cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed.
この場合、流体流路と流体連通孔とは、流体を円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路を介して連通している。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータ間には、反応ガス連通孔から反応ガス流路に至るブリッジ部が設けられるとともに、前記ブリッジ部は、一方のセパレータの面内に設けられる平坦状シールと、他方のセパレータの面内に設けられ、前記平坦状シールに当接する複数の凸状シールとを備えている。そして、平坦状シールと複数の凸状シールとの間には、反応ガス連通孔と反応ガス流路とを連通する反応ガス連結流路が形成されている。 In this case, the fluid channel and the fluid communication hole communicate with each other via a connection channel having parallel grooves or the like in order to allow fluid to flow smoothly and evenly. For example, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, a bridge portion from a reaction gas communication hole to a reaction gas flow path is provided between a pair of separators sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure, and the bridge The portion includes a flat seal provided in the surface of one separator and a plurality of convex seals provided in the surface of the other separator and in contact with the flat seal. A reaction gas connection channel that communicates the reaction gas communication hole and the reaction gas channel is formed between the flat seal and the plurality of convex seals.
このため、燃料電池の組立工程が大幅に簡素化されるとともに、経済的且つ簡単な構成で、所望のシール性を確保することが可能になる。しかも、平坦状シールと複数の凸状シールとの間には、反応ガス連結流路が形成され、この反応ガス連結流路を介して反応ガス連通孔と反応ガス流路とを確実に連通させることができる。 For this reason, the assembly process of the fuel cell is greatly simplified, and a desired sealing property can be secured with an economical and simple configuration. In addition, a reaction gas connection channel is formed between the flat seal and the plurality of convex seals, and the reaction gas communication hole and the reaction gas channel are reliably communicated with each other via the reaction gas connection channel. be able to.
ところで、上記の燃料電池では、積層方向から見て凸状シールと交差する方向に延在するシール部材が設けられる場合がある。反応ガスや冷却媒体の漏れを防止するとともに、凸状シールと積層方向に重なって該凸状シールの裏受け（荷重受け）を行うためである。その際、凸状シールは、流体流れ方向に延在しているため、部位により圧縮荷重特性が異なっている。 By the way, in the fuel cell described above, there may be provided a seal member extending in a direction intersecting with the convex seal as viewed from the stacking direction. This is to prevent leakage of the reaction gas and the cooling medium and to perform backing (load receiving) of the convex seal so as to overlap with the convex seal in the stacking direction. At that time, since the convex seal extends in the fluid flow direction, the compressive load characteristic differs depending on the part.
従って、凸状シールとシール部材とが積層方向に重なり合う領域では、部位によって反力が異なり易い。これにより、セパレータの変形、シール部材の面圧の不均一、あるいは、凸状シールの流路幅の変動等が発生するおそれがある。 Accordingly, in the region where the convex seal and the seal member overlap in the stacking direction, the reaction force tends to vary depending on the part. As a result, the deformation of the separator, the nonuniformity of the surface pressure of the seal member, or the fluctuation of the flow path width of the convex seal may occur.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材の面圧のばらつきやセパレータの変形を確実に抑制することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can reliably suppress variations in surface pressure of a seal member and deformation of a separator with a simple configuration. .
本発明は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を前記セパレータの面方向に沿って流通させる流体流路と、前記流体を前記セパレータの積層方向に流通させる流体連通孔と、前記セパレータの前記流体流路と前記流体連通孔との間に設けられ前記積層方向に荷重が付与される複数の凸状弾性部材間に形成され、前記流体流路及び前記流体連通孔を接続する連結流路とを備える燃料電池に関するものである。 In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and at least a fluid that is a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium is provided along the surface direction of the separator. Provided between the fluid flow path for circulating the fluid in the stacking direction of the separator, the fluid flow path of the separator and the fluid communication hole, and applying a load in the stacking direction. And a connecting channel that connects the fluid channel and the fluid communication hole.
この燃料電池では、複数の凸状弾性部材と積層方向に隣接し、連結流路の延在方向に交差する方向に延在し、前記流体の漏れを防止するための複数本のシール部材が設けられるとともに、前記複数の凸状弾性部材は、前記積層方向から見て前記シール部材と重なる重なり領域を有し、前記重なり領域が前記延在方向に沿って分割形成されている。分割された前記凸状弾性部材同士の間には、該凸状弾性部材よりも高さの低い弾性部材が設けられる。 In this fuel cell, adjacent to the stacking direction and a plurality of convex elastic member, and extending in a direction intersecting the extending direction of the connecting channel, a plurality of sealing members for preventing leakage of said fluid provided In addition, each of the plurality of convex elastic members has an overlapping region that overlaps with the seal member when viewed from the stacking direction, and the overlapping region is divided and formed along the extending direction. An elastic member having a height lower than that of the convex elastic member is provided between the divided convex elastic members.
また、本発明は、電解質膜の両面に電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を前記セパレータの面方向に沿って流通させる流体流路と、前記流体を前記セパレータの積層方向に流通させる流体連通孔と、前記セパレータの前記流体流路と前記流体連通孔との間に設けられ前記積層方向に荷重が付与される複数の凸状弾性部材間に形成され、前記流体流路及び前記流体連通孔を接続する連結流路とを備える燃料電池であって、前記複数の凸状弾性部材と前記積層方向に隣接し、前記連結流路の延在方向に交差する方向に延在し、前記流体の漏れを防止するための複数本のシール部材が設けられるとともに、前記複数の凸状弾性部材は、前記積層方向から見て前記シール部材と重なる重なり領域を有し、前記重なり領域が前記延在方向に沿って分割形成され、分割された前記凸状弾性部材同士の間には、該凸状弾性部材よりも前記延在方向に交差する幅寸法の小さな弾性部材が設けられる。また、この燃料電池では、凸状弾性部材は、シール部材の本数と同数に分割されることが好ましい。 In addition, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane, and a separator, and at least a fuel gas, an oxidant gas, or a fluid that is a cooling medium as a surface direction of the separator. A fluid flow path that circulates along the fluid passage, a fluid communication hole that circulates the fluid in the stacking direction of the separator, and a load that is provided between the fluid flow path and the fluid communication hole of the separator. A fuel cell that is formed between a plurality of convex elastic members to be applied and that connects the fluid flow channel and the fluid communication hole, the fuel cell including the plurality of convex elastic members in the stacking direction. Adjacent and extending in a direction intersecting with the extending direction of the connecting flow path, a plurality of seal members for preventing leakage of the fluid are provided, and the plurality of convex elastic members are formed of the stacked layers. Viewed from direction have overlapping region overlapping with the sealing member, wherein the overlapping region is divided form along the extending direction, between the adjacent divided the convex elastic member, from the convex elastic member Also, an elastic member having a small width dimension intersecting the extending direction is provided. In this fuel cell, the convex elastic member is preferably divided into the same number as the number of seal members.
また、この燃料電池では、流体連通孔に近接して複数の凸状弾性部材間に開口する貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔の一端側は、流体流路側で連結流路に連通する一方、前記貫通孔の他端側は、前記流体流路とは反対側で前記流体連通孔に連通することが好ましい。 Further, in this fuel cell, a through hole that opens between the plurality of convex elastic members is formed in the vicinity of the fluid communication hole, and one end side of the through hole communicates with the connection channel on the fluid channel side. On the other hand, it is preferable that the other end side of the through hole communicates with the fluid communication hole on the side opposite to the fluid flow path.
本発明では、凸状弾性部材は、積層方向にシール部材と重なる重なり領域を有し、前記重なり領域が流れ方向に沿って分割形成されている。このため、凸状弾性部材の圧縮荷重特性は、部位によって異なることがない。従って、簡単な構成で、シール部材の面圧のばらつきやセパレータの変形を確実に抑制することが可能になる。 In the present invention, the convex elastic member has an overlapping region overlapping with the seal member in the stacking direction, and the overlapping region is divided and formed along the flow direction. For this reason, the compressive load characteristic of a convex elastic member does not change with parts. Accordingly, it is possible to reliably suppress variations in the surface pressure of the seal member and deformation of the separator with a simple configuration.
図１〜図３に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、複数の発電セル１２が、例えば、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。なお、発電セル１２は、重力方向に積層されてもよい。
As shown in FIGS. 1 to 3, in the
発電セル１２は、横長形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０とを備える。第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、薄板状の金属プレートを、それぞれ波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
The
第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、例えば、アルミニウム板、ステンレス鋼板、チタン板又はニオブ板等で形成される。なお、第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０に代えて、カーボンセパレータを採用してもよい。
The
発電セル１２の長辺方向（図１中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（流体連通孔）２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）３０ｂが設けられる。
An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the
発電セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（流体連通孔）３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）２６ｂが設けられる。
A fuel gas supply communication hole (fluid communication hole) 30a for supplying fuel gas is connected to the other end edge in the long side direction of the
図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路（流体流路）３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する凸部４０ａと凹部４０ｂとが、矢印Ｃ方向に交互に形成されることにより、各凹部４０ｂに沿って形成される複数本の酸化剤ガス流路溝３８ａを有する。凸部４０ａは、電解質膜・電極構造体１６に接する一方、凹部４０ｂは、前記電解質膜・電極構造体１６から離間する。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
酸化剤ガス流路３８の入口側には、電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス４１ａｅを有する入口バッファ部４１ａが設けられる。酸化剤ガス流路３８の出口側には、電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス４１ｂｅを有する出口バッファ部４１ｂが設けられる。
On the inlet side of the oxidant
図５に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路（流体流路）４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する凸部４４ａと凹部４４ｂとが、矢印Ｃ方向に交互に形成されることにより、各凹部４４ｂに沿って形成される複数本の燃料ガス流路溝４２ａを有する。凸部４４ａは、電解質膜・電極構造体１６に接する一方、凹部４４ｂは、前記電解質膜・電極構造体１６から離間する。
As shown in FIG. 5, a fuel gas flow path (fluid) that connects the fuel gas
燃料ガス流路４２の入口側には、電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス４５ａｅを有する入口バッファ部４５ａが設けられる。燃料ガス流路４２の出口側には、電解質膜・電極構造体１６側に突出する複数のエンボス４５ｂｅを有する出口バッファ部４５ｂが設けられる。
An
図１に示すように、互いに隣接する第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路（流体流路）４６が一体的に形成される。冷却媒体流路４６は、酸化剤ガス流路３８及び燃料ガス流路４２の裏面形状を重ね合わせて構成される。
As shown in FIG. 1, a cooling medium
第１金属セパレータ１８の一方の面１８ａ及び他方の面１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端部を周回して第１シール部材４８が一体成形される。第２金属セパレータ２０の一方の面２０ａ及び他方の面２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材５０が一体成形される。
A
第１シール部材４８及び第２シール部材５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材を使用する。
The
第１シール部材４８は、図１及び図４に示すように、面１８ａ、１８ｂ上に均一な厚さを有して成形される平面シール部４８ａを有する。第１シール部材４８は、面１８ａ側で平面シール部４８ａから突出し、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと酸化剤ガス流路３８とを連通させる凸状シール部４８ｂを有する（図４参照）。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
第１シール部材４８は、面１８ｂ側で平面シール部４８ａから突出し、冷却媒体供給連通孔２８ａ及び冷却媒体排出連通孔２８ｂと冷却媒体流路４６とを連通させる凸状シール部４８ｃを有する（図１参照）。
The
第２シール部材５０は、面２０ａ、２０ｂ上に均一な厚さを有して形成される平面シール部５０ａを有する。第２シール部材５０は、面２０ａ側で平面シール部５０ａから突出し、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂを燃料ガス流路４２に連通する凸状シール部５０ｂを有する（図１及び図５参照）。
The
図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと入口バッファ部４１ａとを接続する入口連結流路５２ａと、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと出口バッファ部４１ｂとを接続する出口連結流路５２ｂとが設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
入口連結流路５２ａは、第１シール部材４８と一体に（又は別体を第１シール部材４８に接合して）成形される複数の凸状弾性部材（所謂、ゴムブリッジ）５４ａ間に矢印Ｂ方向に沿って形成される。入口連結流路５２ａは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから入口バッファ部４１ａに向かって延在する。凸状弾性部材５４ａは、第１シール部材４８と同一の材料で構成してもよく、又は、異なるゴム部材により構成してもよい。
The inlet
凸状弾性部材５４ａは、積層方向（矢印Ａ方向）から見て、第１金属セパレータ１８の表裏で第１シール部材４８の凸状シール部４８ｃと重なる重なり領域、具体的には、前記凸状弾性部材５４ａと積層方向に隣接し、入口連結流路５２ａの酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する方向（矢印Ｃ方向）に延在するシール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２との重なり領域５４ａｌ１、５４ａｌ２を有し、前記重なり領域５４ａｌ１、５４ａｌ２が前記酸化剤ガス流れ方向に沿って分割して形成される。
The convex
すなわち、凸状弾性部材５４ａは、シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２間に対応して切欠き部５４ａｋが設けられることにより、前記シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２の本数と同数である２個に分割される（図４及び図６参照）。凸状弾性部材５４ａの分割個数は、裏面側に設けられる裏面シールの本数（複数本）と同数、例えば、３本又は４本に設定される。以下に説明する冷却媒体側及び燃料ガス側も同様である。
That is, the convex
シール部分４８ｃｓ１の幅方向（矢印Ｂ方向）の中央Ｏは、凸状弾性部材５４ａの長さ方向（矢印Ｂ方向）の中央と一致する。すなわち、中央Ｏから凸状弾性部材５４ａの長さ方向一方の端部までの距離ｔ１と、前記中央Ｏから長さ方向他方の端部までの距離ｔ２とは、同一寸法に設定される（ｔ１＝ｔ２）。以下に説明する他のシール部分と他の凸状弾性部材とにおいても、同様である。
The center O in the width direction (arrow B direction) of the seal portion 48cs1 coincides with the center in the length direction (arrow B direction) of the convex
出口連結流路５２ｂは、上記の入口連結流路５２ａと同様に構成され、前記入口連結流路５２ａと同一の構成要素には、同一の参照数字に符号ａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。
The
図１に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体流路４６とを接続する入口連結流路５６ａと、冷却媒体排出連通孔２８ｂと前記冷却媒体流路４６とを接続する出口連結流路５６ｂとが設けられる。
As shown in FIG. 1, the
入口連結流路５６ａは、第１シール部材４８と一体に（又は別体を第１シール部材４８に接合して）成形される複数の凸状弾性部材（所謂、ゴムブリッジ）５８ａ間に矢印Ｂ方向に沿って形成される。入口連結流路５６ａは、冷却媒体供給連通孔２８ａから入口バッファ部（入口バッファ部４１ａの裏面形状）に向かって延在する。
The
凸状弾性部材５８ａは、積層方向（矢印Ａ方向）から見て、第１金属セパレータ１８の表裏で第１シール部材４８の凸状シール部４８ｂと重なる重なり領域、具体的には、前記凸状弾性部材５８ａと積層方向に隣接し、入口連結流路５６ａの冷却媒体流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する方向（矢印Ｃ方向）に延在するシール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２（図４参照）との重なり領域５８ａｌ１、５８ａｌ２を有し、前記重なり領域５８ａｌ１、５８ａｌ２が前記冷却媒体流れ方向に沿って分割形成される。
The convex
すなわち、凸状弾性部材５８ａは、シール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２間に対応して切欠き部５８ａｋが設けられることにより、前記シール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２の本数と同数である２個に分割される。
That is, the convex
出口連結流路５６ｂは、上記の入口連結流路５６ａと同様に構成され、前記入口連結流路５６ａと同一の構成要素には、同一の参照数字に符号ａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。
The
図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと入口バッファ部４５ａとを接続する入口連結流路６０ａと、燃料ガス排出連通孔３０ｂと出口バッファ部４５ｂとを接続する出口連結流路６０ｂとが設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 5, the
入口連結流路６０ａは、第２シール部材５０と一体に（又は別体を第２シール部材５０に接合して）成形される複数の凸状弾性部材（所謂、ゴムブリッジ）６２ａ間に矢印Ｂ方向に沿って形成される。入口連結流路６０ａは、燃料ガス供給連通孔３０ａから入口バッファ部４５ａに向かって延在する。凸状弾性部材６２ａは、第２シール部材５０と同一の材料で構成してもよく、又は、異なるゴム部材により構成してもよい。
The inlet
凸状弾性部材６２ａは、積層方向（矢印Ａ方向）から見て第１金属セパレータ１８を構成する第１シール部材４８の凸状シール部４８ｃと重なる重なり領域、具体的には、前記凸状弾性部材６２ａと積層方向に隣接し、入口連結流路６０ａの燃料ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する方向（矢印Ｃ方向）に延在するシール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２との重なり領域６２ａｌ１、６２ａｌ２を有し、前記重なり領域６２ａｌ１、６２ａｌ２が前記燃料ガス流れ方向に沿って分割形成される。
The convex
すなわち、凸状弾性部材６２ａは、シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２間に対応して切欠き部６２ａｋが設けられることにより、前記シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２の本数と同数である２個に分割される。
That is, the convex
出口連結流路６０ｂは、上記の入口連結流路６０ａと同様に構成され、前記入口連結流路６０ａと同一の構成要素には、同一の参照数字に符号ａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。
The
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜６４と、前記固体高分子電解質膜６４を挟持するカソード電極６６及びアノード電極６８とを備える。固体高分子電解質膜６４は、カソード電極６６及びアノード電極６８と同等、若しくはこれらよりも大きな平面寸法に設定され、外周縁部が前記カソード電極６６及び前記アノード電極６８の外周端部から外方に突出する。なお、カソード電極６６又はアノード電極６８のいずれか一方のみが、固体高分子電解質膜６４と同等の平面寸法に設定されてもよい。
The electrolyte membrane /
図２及び図３に示すように、カソード電極６６及びアノード電極６８は、カーボンペーパ等からなるカソード側ガス拡散層６６ａ及びアノード側ガス拡散層６８ａと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記カソード側ガス拡散層６６ａ及びアノード側ガス拡散層６８ａの表面に一様に塗布されたカソード側電極触媒層６６ｂ及びアノード側電極触媒層６８ｂとを有する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図１に示すように、燃料電池１０内では、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各発電セル１２では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。
As shown in FIG. 1, in the
酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１金属セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード電極６６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図１及び図５に示すように、燃料ガス供給連通孔３０ａから第２金属セパレータ２０の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード電極６８に沿って移動する。
As shown in FIGS. 1 and 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード電極６６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極６８に供給される燃料ガスとが、カソード側電極触媒層６６ｂ及びアノード側電極触媒層６８ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極６６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出されて、矢印Ａ方向に流動する。同様に、アノード電極６８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出されて、矢印Ａ方向に流動する。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂを移動して燃料電池１０から排出される。
The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling
この場合、第１の実施形態では、例えば、図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス流路４２（実質的には、入口バッファ部４５ａ）とを接続する入口連結流路６０ａが設けられている。入口連結流路６０ａは、第２シール部材５０と一体に成形される複数の凸状弾性部材６２ａ間に矢印Ｂ方向に沿って形成されている。
In this case, in the first embodiment, for example, as shown in FIGS. 1 and 5, the
そして、凸状弾性部材６２ａは、積層方向から見て第１金属セパレータ１８を構成する第１シール部材４８の凸状シール部４８ｃと重なる重なり領域６２ａｌ１、６２ａｌ２を有し、前記重なり領域６２ａｌ１、６２ａｌ２が燃料ガス流れ方向に沿って分割形成されている。すなわち、凸状弾性部材６２ａは、シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２間（及びシール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２間）に対応して２個に分割されている。
The convex
このため、図３に示すように、凸状弾性部材６２ａの圧縮荷重特性は、部位によって異なることがない。従って、シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２（及びシール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２）に不均一な反力が発生することがなく、シール面圧が均一化される。これにより、第１金属セパレータ１８（及び第２金属セパレータ２０）に変形が惹起したり、シール面圧の不均一や入口連結流路６０ａの流路幅の不均一が発生することを、良好に抑制することができるという効果が得られる。
For this reason, as shown in FIG. 3, the compressive load characteristic of the convex
また、第１金属セパレータ１８の面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと入口バッファ部４１ａとを接続する入口連結流路５２ａが設けられている。入口連結流路５２ａは、第１シール部材４８と一体に成形される複数の凸状弾性部材５４ａ間に矢印Ｂ方向に沿って形成されている。凸状弾性部材５４ａは、シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２間に対応して２個に分割形成されている。
Further, the
このため、図２に示すように、凸状弾性部材５４ａの圧縮荷重特性は、部位によって異なることがない。従って、簡単な構成で、シール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２の面圧のばらつきや第１金属セパレータ１８（及び第２金属セパレータ２０）の変形を確実に抑制することが可能になる。
For this reason, as shown in FIG. 2, the compressive load characteristic of the convex
さらにまた、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体流路４６とを接続する入口連結流路５６ａが設けられている。入口連結流路５６ａは、第１シール部材４８と一体に成形される複数の凸状弾性部材５８ａ間に形成されるとともに、前記凸状弾性部材５８ａは、シール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２間に対応して２個に分割形成されている。
Furthermore, an
これにより、簡単な構成で、シール部分４８ｂｓ１、４８ｂｓ２の面圧のばらつきや第１金属セパレータ１８（及び第２金属セパレータ２０）の変形を確実に抑制することが可能になる。 Accordingly, it is possible to reliably suppress variations in the surface pressure of the seal portions 48bs1 and 48bs2 and deformation of the first metal separator 18 (and the second metal separator 20) with a simple configuration.
一方、出口連結流路５２ｂ、５６ｂ及び６０ｂは、上記の入口連結流路５２ａ、５６ａ及び６０ａと同様に構成されている。このため、上記と同様の効果が得られる。なお、第１の実施形態では、入口バッファ部４１ａ、４５ａ及び出口バッファ部４１ｂ、４５ｂが設けられているが、これらを用いない構成にも適用可能である。
On the other hand, the
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０を構成する第１金属セパレータ８２の要部斜視説明図である。
FIG. 7 is an explanatory perspective view of a main part of the
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１８と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても、その詳細な説明は省略する。
In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the
第２の実施形態では、第１の実施形態の入口連結流路５２ａに対応する入口連結流路８４のみについて説明する。他の入口連結流路５６ａ及び６０ａと出口連結流路５２ｂ、５６ｂ及び６０ｂに対応する構成は、入口連結流路８４と同様である。
In the second embodiment, only the
入口連結流路８４は、第１シール部材４８と一体に成形される複数の凸状弾性部材（所謂、ゴムブリッジ）８６間に矢印Ｂ方向に沿って形成される。凸状弾性部材８６は、積層方向（矢印Ａ方向）から見て第１シール部材４８のシール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２間で分割形成される。
The
分割された凸状弾性部材８６同士の間には、該凸状弾性部材８６よりも高さの低い弾性部材８８が設けられる。弾性部材８８の幅寸法（矢印Ｃ方向の寸法）は、凸状弾性部材８６の幅寸法と同一である。弾性部材８８の高さは、積層荷重が付与されて凸状弾性部材８６が圧縮変形した際、隣り合う他の金属セパレータから荷重を受けることがなく、且つ、酸化剤ガスの漏れが殆ど発生しない程度の隙間に設定される。好ましくは、隙間８８ｓは、少なくとも流路高さの１／２以下に設定される。弾性部材８８は、凸状弾性部材８６と同一の材料で一体成形されているが、同一材料又は異なる材料で形成された別部材を固着してもよい。
An
このように構成される第２の実施形態では、凸状弾性部材８６が分割されるため、簡単な構成で、シール面圧のばらつきや第１金属セパレータ８２の変形等を確実に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, since the convex
さらに、分割された凸状弾性部材８６同士の間には、該凸状弾性部材８６よりも高さの低い弾性部材８８が設けられている。従って、酸化剤ガスは、入口連結流路８４の各流路溝に沿って、すなわち、凸状弾性部材８６の延在方向に沿って確実に流通し、隣り合う流路溝の間で移動することがない。これにより、特に流路溝に液滴が発生した際、隣り合う流路溝との間の隙間８８Ｓに生成水が滞留することがなく、前記流路溝を流通する酸化剤ガスによって確実に排水することが可能になる。
Further, an
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池９０を構成する第１金属セパレータ９２の要部斜視説明図である。
FIG. 8 is an explanatory perspective view of a main part of the
第１金属セパレータ９２には、第１の実施形態の入口連結流路５２ａに対応する入口連結流路９４が設けられる。入口連結流路９４は、第１シール部材４８と一体に成形される複数の凸状弾性部材（所謂、ゴムブリッジ）９６間に矢印Ｂ方向に沿って形成される。凸状弾性部材９６は、積層方向（矢印Ａ方向）から見て第１シール部材４８のシール部分４８ｃｓ１、４８ｃｓ２間で分割形成される。
The
分割された凸状弾性部材９６同士の間には、該凸状弾性部材９６よりも酸化剤ガス流れ方向に交差（矢印Ｃ方向）する幅寸法の小さな弾性部材９８が設けられる。凸状弾性部材９６及び弾性部材９８は、幅中心に対して対称形状が好ましく、前記凸状弾性部材９６の幅中心と前記弾性部材９８の幅中心とは、一致する。凸状弾性部材９６の高さと弾性部材９８の高さは、同一である。好ましくは、弾性部材９８は、少なくとも凸状弾性部材９６の幅寸法の１／２以下に設定される。弾性部材９８は、凸状弾性部材９６と同一の材料で一体成形されているが、同一材料又は異なる材料で形成された別部材を固着してもよい。
Between the divided convex
このように構成される第３の実施形態では、凸状弾性部材９６が分割されるとともに、分割された凸状弾性部材９６同士の間には、該凸状弾性部材９６よりも幅寸法の小さな弾性部材９８が設けられている。このため、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
In the third embodiment configured as described above, the convex
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１００を構成する金属セパレータ１０２の要部正面説明図である。
FIG. 9 is a front view of an essential part of a
金属セパレータ１０２には、第１の実施形態の燃料ガス側の入口連結流路６０ａに対応する入口連結流路１０４が設けられる。入口連結流路１０４は、金属セパレータ１０２を燃料ガス供給連通孔３０ａの近傍で貫通する複数の供給貫通孔１０６を有する。燃料ガス流路４２の面側には、供給貫通孔１０６と前記燃料ガス流路４２の入口側とを繋ぐ複数本の連結流路溝１０８が設けられる。燃料ガス流路４２とは反対の面側には、供給貫通孔１０６と燃料ガス供給連通孔３０ａとを繋ぐ複数本の連結流路溝１１０が設けられる。
The
各連結流路溝１０８は、第１シール部材４８と一体に成形される複数の凸状弾性部材（所謂、ゴムブリッジ）１１２間に矢印Ｂ方向に沿って形成される。凸状弾性部材１１２は、積層方向（矢印Ａ方向）から見て裏面側のシール部材（図示せず）と重なる重なり領域を有し、前記重なり領域が燃料ガス流れ方向に沿って分割形成される。なお、凸状弾性部材１１２は、上記の第１の実施形態〜第３の実施形態のいずれの構成を採用してもよい。
Each
従って、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。 Therefore, in the fourth embodiment, the same effects as those in the first to third embodiments can be obtained.
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１２０を構成する第１金属セパレータ１２２の要部斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１８と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 10 is a perspective explanatory view of a main part of the
第１金属セパレータ１２２は、入口連結流路５２ａを構成する凸状弾性部材５４ａが、金属板１２２ｍ上に直接設けられる。このため、第５の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、上記の第２の実施形態に係る第１金属セパレータ８２や第３の実施形態に係る第１金属セパレータ９２においても、同様に構成することができる。
As for the
１０、８０、９０、１００、１２０…燃料電池
１２…発電セル １６…電解質膜・電極構造体
１８、２０、８２、９２、１０２、１２２…金属セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…冷却媒体供給連通孔 ２８ｂ…冷却媒体排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔 ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３８…酸化剤ガス流路 ４２…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路 ４８、５０…シール部材
５２ａ、５６ａ、６０ａ、８４、９４、１０４…入口連結流路
５２ｂ、５６ｂ、６０ｂ…出口連結流路
５４ａ、５８ａ、６２ａ、８６、９６、１１２…凸状弾性部材
６４…固体高分子電解質膜 ６６…カソード電極
６８…アノード電極 ８８、９８…弾性部材
１０６…供給貫通孔 １０８、１１０…連結流路溝
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の凸状弾性部材と前記積層方向に隣接し、前記連結流路の延在方向に交差する方向に延在し、前記流体の漏れを防止するための複数本のシール部材が設けられるとともに、
前記複数の凸状弾性部材は、前記積層方向から見て前記シール部材と重なる重なり領域を有し、前記重なり領域が前記延在方向に沿って分割形成され、
分割された前記凸状弾性部材同士の間には、該凸状弾性部材よりも高さの低い弾性部材が設けられることを特徴とする燃料電池。 A fluid in which an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and at least a fluid that is a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium flows along the surface direction of the separator A plurality of protrusions that are provided between the flow path , the fluid communication holes that allow the fluid to flow in the stacking direction of the separator, and the fluid flow holes and the fluid communication holes of the separator that are applied with a load in the stacking direction. A fuel cell comprising a fluid passage formed between the elastic members and connecting the fluid passage and the fluid communication hole;
Adjacent to the stacking direction and the plurality of convex elastic member, and extending in a direction intersecting the extending direction of the connecting channel, with a plurality of sealing members for preventing leakage of the fluid is provided ,
The plurality of convex elastic members have an overlapping region that overlaps with the seal member when viewed from the stacking direction, and the overlapping region is divided and formed along the extending direction ,
Between the adjacent divided the convex elastic member, a fuel cell, wherein Rukoto low elastic member height is provided than the convex elastic member.
前記複数の凸状弾性部材と前記積層方向に隣接し、前記連結流路の延在方向に交差する方向に延在し、前記流体の漏れを防止するための複数本のシール部材が設けられるとともに、
前記複数の凸状弾性部材は、前記積層方向から見て前記シール部材と重なる重なり領域を有し、前記重なり領域が前記延在方向に沿って分割形成され、
分割された前記凸状弾性部材同士の間には、該凸状弾性部材よりも前記延在方向に交差する幅寸法の小さな弾性部材が設けられることを特徴とする燃料電池。 A fluid in which an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane and a separator are laminated, and at least a fluid that is a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium flows along the surface direction of the separator A plurality of protrusions that are provided between the flow path, the fluid communication holes that allow the fluid to flow in the stacking direction of the separator, and the fluid flow holes and the fluid communication holes of the separator that are applied with a load in the stacking direction. A fuel cell comprising a fluid passage formed between the elastic members and connecting the fluid passage and the fluid communication hole;
A plurality of seal members are provided adjacent to the plurality of convex elastic members in the stacking direction, extending in a direction intersecting with the extending direction of the connection flow path, and preventing leakage of the fluid. ,
The plurality of convex elastic members have an overlapping region that overlaps with the seal member when viewed from the stacking direction, and the overlapping region is divided and formed along the extending direction,
An elastic member having a smaller width dimension that intersects the extending direction than the convex elastic member is provided between the divided convex elastic members.
前記貫通孔の一端側は、前記セパレータの前記流体流路が設けられた面側で前記連結流路に連通する一方、前記貫通孔の他端側は、前記セパレータの前記流体流路が設けられた前記面側とは反対面側で前記流体連通孔に連通することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , wherein a through-hole is formed between the plurality of convex elastic members in the vicinity of the fluid communication hole to allow the fluid to flow therethrough.
One end of the through hole, while communicating with the connection channel in the side where the fluid passage is provided of the separator, the other end of the through hole, the fluid flow path of the separator is provided The fuel cell is characterized in that it communicates with the fluid communication hole on the side opposite to the surface side.
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